[发明专利]一种应用于超级电容器的氮掺杂分级孔整体性碳材料及其制备方法

说明书

本发明属于材料制备技术领域，提供一种应用于超级电容器的氮掺杂分级孔整体性碳材料及其制备方法。首先，将三聚氰胺纳米海绵在氧化石墨烯分散液中浸泡得到GO/MS；然后将二甲基咪唑和硝酸锌分别分散于不同甲醇溶液中，在硝酸锌与甲醇混合溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮搅拌至溶液混合均匀后，加入GO/MS，再加入二甲基咪唑与甲醇混合溶液，得到ZIF‑8/GO/MS；最后，将ZIF‑8/GO/MS经高温碳化，得到氮掺杂分级孔整体性碳材料。本发明提供的制备方法简单可靠，所制备的材料具有良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种可用于超级电容器的氮掺杂分级孔整体性碳材料及其制备方法。

背景技术

随着工业化的进一步发展，传统的化石燃料面临枯竭，治理环境问题的同时急需寻求新型可再生能源。超级电容器作为一种新兴的储能器件不仅具备环境友好的特点，还具备循环性能高、能量密度高和功率密度高等优异的电化学特性，是替代传统化石能源的理想选择之一。电极材料作为超级电容器的重要组成部分，其优劣性成为了决定超级电容器性能好坏的重要指标。而在众多可供选择的电极材料之中，碳材料因其来源广泛，价廉易得的优势，成为目前商业化中应用最为广泛的电极材料之一，同时碳材料还具有超高的比表面积、超强的结构稳定性和优异的导电性等特性，这些特性使得碳材料电极在长期循环过程中仅有极小的容量损失。然而常见的碳材料孔结构较为单一，缺陷明显，因此将不同孔结构相结合制备具有分级孔结构的碳材料，利用不同孔结构的协同效应可以在极大程度上克服单一孔结构碳材料的缺陷。如Pan等人将介孔碳涂覆在碳纳米管矩阵上并卷成纤维，制备出排列整齐的碳纳米管和介孔碳复合的分级孔纤维(Pan et al.J.Mater.Chem.A,2015,3,6286–6290)。近年来，由于三聚氰胺海绵的种种优势，如低密度，高孔隙率，高含氮量，并且可以通过碳化形成三维整体氮掺杂碳材料，同时在电化学反应中提供相当程度的赝电容，使其逐渐成为人们大量研究的大孔碳前躯体材料。遗憾的是三聚氰胺海绵由于表面惰性导致其难以形成复合材料，而通常的改善方法多是使用氢氧化钠作为活化剂对三聚氰胺进行预处理，以此来改善三聚氰胺海绵的惰性表面，但通过氢氧化钠预处理易使骨架稳定性降低，对以三聚氰胺海绵为基底制备分级孔碳材料不利，而且强碱的使用也会对环境造成污染。石墨烯是一种新兴的二维材料，作为其重要的衍生物，氧化石墨片层的两个表面具有大量的含氧官能团，可以用作“连接桥”连接三聚氰胺海绵和其他碳前躯体而不需要使用其他的化学刻蚀剂。且经高温炭化得到的石墨烯可以作为二维导电网络，起到促进电子传输进而提升材料电化学性能的作用。因此，我们利用氧化石墨的桥连特性，以三聚氰胺海绵为大孔整体性碳前躯体，以Zif-8为中孔微孔碳前躯体，同时以二者为氮源，构筑具有分级孔结构的整体性氮掺杂碳材料。

发明内容

一种应用于超级电容器的氮掺杂分级孔整体性碳材料及其制备方法，及其在超级电容器方面的应用研究，该制备方法简单可靠，所制备的材料具有良好的电化学性能。

为了达到上述技术目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于超级电容器的氮掺杂分级孔整体性碳材料的制备方法，首先，将三聚氰胺纳米海绵(Melamine Sponge)在氧化石墨烯(GO)分散液中浸泡，取出干燥，标记为GO/MS。然后将二甲基咪唑和硝酸锌分别分散于不同甲醇溶液中，在硝酸锌与甲醇混合溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮搅拌至溶液混合均匀，将GO/MS置于其中，再加入二甲基咪唑与甲醇混合溶液，静置老化并干燥，即得到ZIF-8/GO/MS。最后，将ZIF-8/GO/MS经高温碳化，得到氮掺杂分级孔整体性碳材料。具体步骤如下：

第一步：制备GO/MS

将三聚氰胺海绵分散于浓度为0.5mg mL^-1-2mg mL^-1的氧化石墨烯分散液中，浸泡20-60min至完全润湿后，密封并冷冻干燥，即得到GO/MS。